第三课时 带电粒子在复合场中的运动.ppt

第,*,页,第,*,页,单击此处编辑母版标题样式,Wwwwwwwwwwwwwwwwww,wwwwwwwwww,第二级,第三级,第四级,第五级,第三课时 带电粒子在复合场中的运动,第一关,:,基础关 展望高考,基础知识,一,速度选择器,知识讲解,速度选择器,(,如下图所示,),平行板中电场强度,E,和磁感应强度,B,互相垂直,.,这种装置能把具有一定速度的粒子选择出来,所以叫做速度选择器,.,带电粒子能够匀速沿直线通过速度选择器的条件是,Bqv,=,Eq,即,活学活用,1.,如图是测量带电粒子质量仪器的工作原理示意图,.,设法使某有机化合物的气态分子导入图示的容器,A,中,使它受到电子束轰击,失去一个电子成为正一价的分子离子,.,分子离子从狭缝,S,1,以很小的速度进入电压为,U,的加速电场区,(,初速度不计,),加速后,再通过狭缝,S,2,S,3,射入 磁感应强度为,B,的匀强磁场,方向垂 直于磁场区的界面,PQ,最后,分子离 子打到感光片上,形成垂直于纸面且 平行于狭缝,S,3,的细线,.,若测得细线到 狭缝,S,3,的距离为,d,导出分子离子质量,m,的表达式,.,二,磁流体发电机,知识讲解,如图所示,由燃烧室,O,燃烧电离成的正,负离子,(,等离子体,),以高速,v,喷入偏转磁场,B,中,.,在洛伦兹力作用下,正,负离子分别向上,下极板偏转,积累,从而在板间形成一个向下的电场,两板间形成一定的电势差,:,当 时,电势差稳定为,U=,dvB,这就相当于一个可以对外供电的电源,.,活学活用,2.,目前世界上正在研究新型发电机,磁流体发电机,它的原理图如图所示,设想在相距为,d,的两平行金属板间加一磁感应强度为,B,的匀强磁场,两板通 过开关和灯泡相连,.,将气体加热到 使之高度电离后,由于正,负离子 一样多,且带电荷量均为,q,因而称 为等离子体,将其以速度,v,喷入甲,乙两板之间,这时甲,乙两板就会 聚集电荷,产生电压,这就是磁流体发电机的原理,它可以直接把内能转化为电能,试问,:,(1),图中哪个极板是发电机的正极,?,(2),发电机的电动势多大,?,(3),设喷入两极板间的离子流每立方米有,n,个负电荷,离子流的横截面积为,S,则发电机的最大功率多大,?,解析,:(1),等离子体从左侧射入磁场,正离子受向上的洛伦兹力而偏向甲板,使甲板上积累正电荷,相应的乙板上积累负电荷,成为电源的正,负两极,.,甲板是发电机的正极,.(2),当开关断开时,甲,乙两板间的电压即为电源的电动势,.,稳定时,甲,乙两板上积累的电荷不再增加,此时的等离子体所受的洛伦兹力与电场力恰好平衡,则有,即得电源的电动势为,U=,Bdv,.,(3),理想状态时,喷入两极板间的离子流全部流向两极板,这时电源达到最大功率,.,此时,电路中的最大电流为式中,N,为在,t,时间内喷入两极板间的正,负离子数的总和,即,N=2nSvt,则发电机的最大功率为,P,max,=,UI,max,=2ndqSBv,2,.,答案,:(1),甲板,(2),Bdv,(3)2ndqSBv,2,三,电磁流量计,知识讲解,电磁流量计原理可解释为,:,如图所示,一圆形导管直径为,d,用非磁性材料制成,其中有可以导电的液体向左流动,导电液体中的自由电荷,(,正,负离子,),在洛伦兹力作用下偏转,a,、,b,间的电势差就保持稳定,由 可得 流量,四,霍尔效应,知识讲解,霍尔效应是高中物理重要的探究课题之一,.,在匀强磁场中放置一个矩形截面的载流导体,当磁场方向与电流方向垂直时,导体在与磁场,电流方向都垂直的方向上出现了电势差,.,这个现象称为霍尔效应,.,所产生的电势差称为霍尔电势差或霍尔电压,其原理如图所示,.,第二关,:,技法关 解读高考,解题技法,一,带电体在重力场与磁场的复合场中的运动,技法讲解,带电体在重力场与磁场的复合场中运动时,若只受洛伦兹力与重力,当二力平衡时,物体将沿水平方向做匀速直线运动,若二力不平衡则物体做一般的曲线运动,很难从运动学角度来分析,而从能量的角度来分析就比较简便,.,一定要注意洛伦兹力不做功这一特点,.,若带电物体在运动过程中还受其他物体,(,如绳,面或轨道等,),的约束,则应结合施加约束的物体的特点来分析带电物体的运动,一定注意洛伦兹力随运动状态的变化而变化,.,典例剖析,【,例,1】,如图所示,匀强磁场垂直纸面向里,有一足够长的等腰三角形绝缘滑槽,两侧斜槽与水平面夹角为,在斜槽顶点两侧各放一个质量相等,带等量负电荷的小球,A,和,B,两小球与斜槽的动摩擦因数相等,且,a,B,C.,两球沿斜槽都做变加速运动,且,a,A,a,B,D.,两球沿斜槽的最大位移关系是,:,s,A,=,s,B,解析,由静止下滑后,对,AB,两球受力分析,由牛顿第二定律得,:,mgsin-(mgcos-qBv,)=,ma,A,mgsin-(mgcos+qBv,)=,ma,B,所以,A,球下滑过程中加速度增大,当,mgcos,=,qBv,时将脱离斜面在空中做曲线运动,B,球下滑过程中加速度减小,当,mgsin,=,(mgcos+qBv,),时,B,球将沿斜面匀速下滑,所以选项,C,正确,.,答案,C,二,带电粒子在电场,磁场,重力场并存的复合场中的运动,技法讲解,1.,带电粒子在复合场中的直线运动,带电粒子在电场,磁场,重力场并存的复合场中运动时,如果带电粒子所受合外力为零时,所处状态一定是匀速直线运动,.,如果受的合力不为零,但方向与速度在同一直线上,粒子将做匀减速或匀加速直线运动,(,或作变加速直线运动,如果有杆或面束缚,).,常见情况如下,:,(1),洛伦兹力为零,(,即,v,与,B,平行,),重力与电场力平衡,做匀速直线运动,;,或重力与电场力的合力恒定做匀变速运动,.,(2),洛伦兹力,F,与速度,v,垂直,且与重力和电场力的合力,(,或其中一种力,),平衡,.,做匀速直线运动,.,2.,当带电粒子所受合外力充当向心力,带电粒子做匀速圆周运动,.,由于通常情况下,重力和电场力为恒力,故不能充当向心力,所以一般情况下是重力恰好与电场力相平衡,洛伦兹力充当向心力,.,3.,当带电微粒所受的合外力不为零,且恒力中的重力,电场力的合力做功使速度大小变化时,带电微粒所受洛伦兹力变化,从而合外力变化,粒子将做曲线运动,这时其轨迹既非圆弧,亦非抛物线,属变加速曲线运动,不能用匀变速运动或圆周运动等规律解答有关问题,可考虑用动量观点解答或用功能观点处理,.,典例剖析,【,例,2】,如图所示,在空间存在着水平方向的匀强磁场和竖直方向的匀强电场,电场强度为,E,磁感应强度为,B.,在某点由静止释放一个带电液滴,a,它运动到最低点处,恰与一个原来处于静止的液滴,b,相撞,相撞后两液滴合为一体,沿水平方向做直线运动,.,已知液滴,a,质量是液滴,b,质量的,2,倍,液滴,a,所带电荷量是液滴,b,所带电荷量的,4,倍,.,求两液滴的初始位置之间的高度差,h(,设,a,、,b,之间的静电力可以不计,).,解析,设,b,液滴的质量为,m,电荷量为,q,则,a,液滴的质量为,2m,电荷量为,4q.,b,液滴原来静止,受重力和电场力处于平衡,由此可知,b,液滴带正电荷,且,mg=Eq.,由,a,粒子的运动轨迹可知其受的洛伦兹力方向为右上方,判定出,a,粒子带负电荷,.,设,a,原来所在处与,b,原来所在处的高度为,h,a,运动到,b,时的速度为,v,1,三,带电体在复合场中的动态分析与临界问题,技法讲解,带电体在电场力,磁场力,重力,弹力及摩擦力作用下的运动,广泛地涉及力学和电磁学的基本概念,规律和方法,不仅受力复杂,运动多变,(,受力分析与运动分析常结合在一起,),综合性强,而且往往与临界问题和极值问题密切相关,.,1.,解决该类型题方法思路,(1),正确进行受力分析,除重力,弹力,摩擦力外,要特别注意电场力和磁场力的分析,.(2),正确进行物体的运动状况分析,找出物体的速度,位置及变化,分清运动过程,如果出现临界状态,要分析临界条件,.(3),选择适当的规律进行求解,.,2.,分析临界问题的常用方法,(1),物理分析法,认真分析系统所经历的物理过程,找出与临界状态相对应的临界条件,是解答这类题目的关键,寻找临界条件,方法之一是从最大静摩擦力,极限频率,临界角,临界温度等具有临界含义的物理量及相关规律入手,;,方法之二是以题目叙述的一些特殊词语如“恰好”“刚好”“最大”“最高”“至少”为突破口,挖掘隐含条件,探求临界位置或状态,.,(2),数学解析法,许多物理过程,一个物理量随另一个物理量的变化可用一个二次函数来表示,如果这个函数存在极值,则说明它反映的物理变化存在一个临界状态,用配方法,图像法求解极值,就可求得临界点,临界状态的各物理量便可一一得出,.,典例剖析,【,例,3】,如图所示,竖直绝缘杆处于方向彼此垂直,大小为,EB,的匀强电,磁场中,一个质量为,m,带正电电荷量为,q,的小球,从静止开始沿杆下滑,且与杆的动摩擦因数为,试求,:,(1),小球速度为多大时,加速度最大,?,最大值是多少,?,(2),小球下滑的最大速度是多少,?,解析,小球开始下滑时,在水平方向始终受到方向相反的电场力,qE,和洛伦兹力,qvB,的作用,受力分析如图所示,(1),当,qvB,b,B.,电势,b,a,C.,电流增大时,|,a,-,b,|,增大,D.,其他条件不变,将铜板改为,NaCl,水溶液时,电势情况仍然一样,解析,:,铜板内自由电荷为自由电子,电流向上,则电子流动方向向下,其所受洛伦兹力的方向向左,则自由电子将向,a,侧偏转,a,侧积累负电荷,b,侧显出正电荷从而建立由,b,指向,a,的电场,故,a,qE,),动能将会增大,速度将会增大,洛伦兹力将会增大,;,由于向下板偏,电场力做负功,其电势能将会增大,.,而电场力大小只与场强及小球的带电荷量有关,故错,.,答案,:A,5.,如图所示,直线,PO,与,x,轴成,45,角,x,轴上方有水平向右的匀强电场,E,1,下方有竖直向下的匀强电场,E,2,已知电场强度,E,1,=E,2,=10 N/,C,x,轴下方还存在着垂直纸面向外的匀强磁场,磁场的磁感应强度,B=10 T.,现有一质量,m=1.010,-5,kg,的带电粒子,带电荷量,q=-1.010,-5,C.,粒子由,P,点无初速释放,(,重力加速度,g=10 m/s,2,).,求,:,(1),粒子刚进入磁场区域时的速度,v;,(2),粒子第一次在磁场中运动的时间,t,和位移,L.,解析,:,粒子在两个电场中所受的电场力大小相同,为,F=qE,1,=qE,2,=1.010,-4,N,粒子所受的重力为,G=mg=1.010,-4,N,可见在两个电场中粒子所受电场力大小均等于重力大小,.,(2),在,x,轴下方的复合场中,因为粒子所受的重力和电场力平衡,所以粒子在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动,其周期,由对称性可知,粒子在磁场中运动四分之三周期,所用时间为,t=3T/4=0.47 s,粒子在磁场中做圆周运动的半径为粒子离开磁场时速度方向与负,x,轴成,45,角,则粒子在磁场中运动的位移为,答案,:(1)2,m/s,(2)0.47 s 0.283 m,